התקנים לעיבוד אותות מגרדים מהווים את עמוד השדרה של אינספור מערכות מודרניות, ממוניטורים רפואיים לבישים ועד כלי רכב אוטונומיים.בסביבות מאומנים משאבים אלה, יעילותם של מסננים דיגיטליים משפיעה ישירות על ביצועים בזמן אמת, צריכת חשמל, וכדאיות מערכתית כוללת. בין הפרמטרים עיצוב רבים חייב איזון, מסנן הסדר עומד כמנוף קריטי - אחד המשפיעים חישוביים בדרכים עמוקות.

הבנה של פילטר

סדר מסנן הוא נכס בסיסי של מסננים דיגיטליים הקובעים את מספר הדגימות הקודמות של קלט (ובמקרה של תגובה אימפולסית אינסופית (IIR) מסננים, דגימות תפוקה קודמות) המשמש למקם כל מדגם פלט.עבור תגובה אימפולס סופי (FIR) מסנן, ההזמנה שווה את מספר הטיפים מינוס 1.A-tap FIR, למשל, יש סדר של 31 ב-FIR, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, הפילטרים של מספר הפילטרים של מספר ה- 1 ל-FIR, כלומר, כלומר, 1 פילטרים של מספר ה-FIR, כלומר, כלומר, 1 פילטרים, 1 LT1, כלומר, 1.

מסננים גבוהים יותר מספקים בדרך כלל להקות מעבר תלולים, צרים יותר, וכדאיות יותר של הפסקת פס.זה גורם להם רצוי עבור יישומים הדורשים הפרדה בתדר מדויק, כגון התאמת אודיו או בחירת ערוץ תקשורת.עם זאת, כל עלייה בסדר מגיע עלות - פעולות מתמטיות נוספות לדגימה, דרישות זיכרון נוספות, ועלייה של קוצר המערכת.

מה מתאים לעומס מוחלט במערכות Embedded

עומס פיצוי בהקשר של עיבוד אותות מוטבע מתייחס למשאבים לעיבוד הכולל הדרושים כדי לבצע את אלגוריתם המסנן בתוך מגבלות התזמון של המכשיר.עומס זה מתבטא לעתים קרובות במונחים של:

  • (ב) [15] ,500,000 הוראות (MIPS) , 1:1 - CPU באמצעות ערכת צורך.
  • (ב) ,0) מזכר רוחב פס (מ"ר) 1 (ה) - כמה נתונים יש להביא מ- RAM או מטמון למדגם.
  • (ב) ,0) צריכת חשמל (FLT: 1) - שיעור יחסי ישירות למספר הפעולות המבוצעות.
  • (ב) ,0) ,(ל) ,ב) ,הזמן מפלט לזמינות.

במכשירים משובצים מופעלים סוללות, כל פעולה נוספת מרוקנת עתודות אנרגיה מוגבלות.לכן, בחירת סדר סינון שהוא גבוה באופן בלתי צפוי יכול לפגוע בחיי הסוללה ועלול לגרום למערכת להחמיץ מועדים בזמן אמת.

כיצד הזנת מסנן משפיעה ישירות על עומס

עבור רוב מסננים עתירי זמן ליניאריים, העומס חישובי בקנה מידה בערך ליניארי עם סדר מסנן, אם כי מערכת היחסים המדויקת תלויה בארכיטקטורה המסנן וביצוע.

שם הסרטון: Direct Linear Scaling

מסנן FIR סטנדרטי דורש אחד מניתוחי עומס (MAC) עבור מסנן של משאבים מסדרה:0HzNIRFLT:1 (כלומר FLT:2N+1IRPLT 3 בו זמנית) עבור מסננים מרובים של CPU עבור מחזורים מרובים של 0.4% עבור מעבד יחיד CIR רזולוציה של 0.1FLT:5s בתוספת זיכרון עבור גישה.

IIRS: יותר מורכב אבל צו נמוך לביצועים דומים

(המסננים IIR להשיג סלקטיביות דומה עם הזמנות נמוכות בהשוואה לפילטרים FIR דו-ממדיים, למשל, יכולים לספק גלגל רול-off הדורשות 10 או 20th-order FIR. An IIR מסנן של סדר זמני (FLT:0MLT:1 בדרך כלל דורש 2FLT:2MLTF 3+1 לדגימות (כאשר IIR מסנן של שגיאות מותאמות אישית) הוא בדרך כלל דורש 2F).

העומס החישובי עבור מסנני IIR אינו בקנה מידה ליניארי בדיוק עם סדר כי התקני משוב לעתים קרובות מחולק SOS (סעיפים מסדר שני) ליציבות.כל סעיף מוסיף בערך חמישה MAC (עבור מבנה ישר-form II), כך ש- 10-order IIR (חמש מ"מ) דורש בערך 32 MAC לדגימה - פחות מאשר הזמנה חד פעמית נדרש כדי לעצור את הזיכרון המקבילה, אך לא ניתן להוסיף.

השפעות לא ליניאריות של פילטר על עומס

בעוד שקשקשים של סיבולת גולמית ליניארית, גורמים אחרים יכולים להציג לא ליניאריות בעומס חישובי בפועל.לדוגמה, מסננים גבוהים יותר דורשים יותר אפקטיביות כדי להילקח מהזיכרון.אם סדר המסנן עולה על היכולת של מטמון הנתונים של CPU, זמני גישה לזיכרון עשויים לשלוט, מה שגורם לעלייה סופר-קלינית בזמן ביצוע הכולל.

מסחר ב-San order

מהנדסים חייבים להעריך את דרישות המערכת באופן הוליסטי כדי לבחור סדר סינון מתאים.המסחר העיקרי הוא בין ביצועי מסנן (selectivity, פס ripple, הפסקת פס tenuation) וצריכת משאבים (מחזורי CPU, זיכרון, כוח).

דרישות ביצועים לעומת תקציב משאבים

יישומים כגון ניטור ECG ברמת הרפואה דורשים תנוחה גבוהה מאוד (למשל, >80 dB) כדי לחסל את התערבות קו החשמל (50/60 הרץ) , תוך השגת זה עם מסנן חד-שלב לעתים קרובות דורש הזמנה גבוהה.פתרון משותף אחד הוא כדי להפחית מסננים מרובים של הזמנות נמוכות או להשתמש מסנן בסדרה עם מסנן נמוך, צמצום דרישות סטנדרטיות עבור תיקון מסנן (למשל, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, עיבוד מספר קידוד מספר קידוד) הוא יכול להיות מוגבל של מספר פילטר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר נמוך יותר (למשל, אבל אני יכול להשתמש מסנן) עם מסנן (למשל, אם כן, אם כן, כלומר, כלומר, כלומר, כלומר, אם כן, כלומר, אם כן, כלומר, כלומר, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, לדוגמה, לדוגמה, אם כן, אם כן, אם כן, אם כן, כלומר, שימוש ב-מסנן, שימוש מסנן (לדוגמה, אם כן, שימוש ב-מדגם (לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, לדוגמה, אם כן, לדוגמה, לדוגמה, שימוש ב-זמנית, שימוש ב- 8.

שקיפות Constraints

עיכוב שלב ועיכוב קבוצתי עם סדר סינון.ב ללולאות בקרה בזמן אמת - כגון אלה בכוננים מוטוריים או ביטול רעש פעיל - שקיפות מוגזמת יכולה לערער את המערכת.פילטרים FIR יש קבוצה קבועה עיכוב שווה לחצי הזמנה המסנן (בדוגמיות), בעוד אני מסנן מציג שלב לא ליניארי שיכול להציג עיוותים.

טביעת רגל זיכרון

פילטרים גבוהים יותר דורשים טבלאות יעילות גדולות יותר ו- Buffers המדינה.עבור מסנן FIR של סדר (FLT:0)NNNFLT:1, סולם האחסון ה-Comefficients לינארי, אבל קו העיכוב מחזיק גם ב-FLT:2NOVAFLT 3: 3+1 דגימות מיקרובקר עם 64 של RAM, מסנן 1024-orders 4,09 על ידי הרבה KB2NIRFLT עבור מספר ערוצים (ב-41) בתוספת מספר מוגבל של 2, 000 עבור מחסנים, 000 מחסנים, 000 מחסנים, 000, 000, 000, 000, 000, 000 דחוסים, 000 דחוסים, 000 עבור מחסנים, 000 עבור דחוסים, 000 עבור מחסנים, 000) בתוספת מחסנים, 000 מחסנים מרובים, 000 מחסנים, 000 מחסנים, 000 עבור , 000 עבור מחסנים מרובים, 000 עבור מחסנים, 000 עבור מחסנים, 000 עבור מחסנים, 000 מחסנים, 000 עבור מחסנים, 000 עבור מחסנים, 000 עבור מחסנים לעתים קרובות מחסנים, 000 מחסנים, 000 מחסנים, 000 מחסנים, 000

ההרחבה Round-Off Noise and Coefficient Quantization

יישום קבוע נקודות נפוצים במכשירים מוטבעים נמוכים.הזמנות מסנן גבוהות מגבירות את הרגישות להגדרה יעילה, שעלולה להפחתת ביצועי המסנן אלא אם כן נעשה שימוש במדומים נוספים.עבור מסננים FIR, קוונטיזציה יעילה נוטה להציג רצפת רעש אחיד יחסית שעולה עם עומס מסנן כי יותר קליקים תורמים לכל תפוקה.עבור מסננים IIR, קוונטים יכול לשנות מיקומים, המוביל למעצבים לעתים קרובות.

אופטימיזציה אסטרטגיות עבור ניהול פילטר

הבנת הקשר בין סדר סינון לבין עומס חישובי מאפשרת למהנדסים להשתמש בטכניקות המפחיתות את הנטל תוך שמירה על איכות האותות.

פילטר והפחתה

כאשר עיבוד אותות עתירי גבוה, סינון בקצב המקורי יכול לכפות עומס חישובי ענק.הפחתת האות לפני סינון - והתערבות לאחר מכן - מאפשר מסנן הזמנה נמוך לעבוד בקצב מדגם מופחת.לדוגמה, מסנן נגדימסנן עם חיתוך של 1 הרץ הפעלה באופן נרחב על שיעור מדגם 1 k עשוי לדרוש הזמנה גבוהה על ידי decim על ידי גורם נמוך 10 פעמים (מסנן אוטומטי) נמוך יותר של 10 פעמים (מסנן רדיו אחד) הוא באופן דרסטי יותר קל יותר, כלומר, 000).

Polyphase Decomposition

עבור מסננים FIR, פוליפאזה decomposition מחלק את המסנן לשלבים מקבילים מרובים הפועלים בשיעורים נמוכים יותר. גישה זו מאפשרת את מסנן יעיל מסנן סדר להישאר גבוה תוך צמצום שיעור הקידוד בשלב. פילטרים פוליפאזה הם יעילים במיוחד ב decimators ו- interpolators, שבו רק שלב אחד של המסנן צריך להיות מלוכד לדגימה.

הסכם קבוע ו-Hardware Acceleration

מעגלים משולבים יישומים (ASICs) ומעבדי אותות דיגיטליים (DSPs) כוללים יחידות MAC חומרה המבצעות עומס רב-אקומציה במחזור יחיד.שימוש מאיצים אלה, אפילו מסננים מסדר גבוה (למשל, 256-order FIR) הופך להיות אפשרי על ידי מספר קידודים בינוניים.

יעילות Utilization ו-Smetry

(הופנה מהדף קואר-פאזה FIR מסננים יש סימטריים coefficients. Exploiting הסימטריה הזו על ידי הוספת שתי דוגמאות לפני הכפלת חצאים מספר הכפלות.עבור phase FIR אפילו מסדרה ליניארית, מספר הכפלים הוא בערך FLT:0NLT 1/21 במקום LT2NFLT1:1 ביעילות זה פחת על ידי קיצוץ חישובים.

דוגמאות מעשיות על פני הגדרות יישומים

מכשירים ביו-רפואיים

צגים אלקטרו-קרדיוגרם (ECG) חייבים לסנן פריטים תנועה ורעש של ציר חשמל בעת הפעלת סוללה קטנה ליתיום-יון-הרץ במשך ימים. עיצוב טיפוסי משתמש מסנן 50 הרץ (לעתים קרובות שנייה הזמנה IIR biquad) ואחריו מסנן נמוך פחות של קצב חישובי CLC עם חיתוך של 40 הרץ (למשל, 4thorder Butworth IIR) הוא תוספת של מעל 10 גרם סטנדרטי לשימוש RM-Frushtexit נמוך יותר עבור סגסוגת נמוך יותר.

עיבוד אודיו

ב מכשירי שמיעה, מסננים מרובים הם קזנד לעצב את תגובת התדירות על פי אודיו של המטופל.עם עד 16 או 24 ערוצים, כל ערוץ יכול להשתמש מסנן 6 עד 12th-order IIR. העומס הכולל יכול לעלות על 200 MACs לדגימה כאשר אודיו הוא מדגם ב 16Hz.

רדיו מבוסס Software-Defined Radio

ב-SDR המקלטים, מסננים של תקשור דורשים לעתים קרובות מאוד דחייה פס גבוה (~100 dB) ולהקות מעבר חדות (מסנן FIR יחיד כדי להשיג זאת בבסיס יכול להיות סדר של כמה מאות עד אלפים, בהתאם לשיעור הדגימה. במקום זאת, מעצבים משתמשים ב- cascaded integrator-comb (CIC) מסננים עבור deciation, ואחריו מספר גבוה יחסית של Fapit, אך ורק עבור מסננים CteFate הוא יעיל של ה-Fate עצמו הוא כולל, אך ורק עבור מסנמיחן CteLC (C.

בקרת מנוע תעשייתי

בקרים כונן מוטורי משתמשים במסננים נמוכים על אותות משוב נוכחיים ומהירים כדי לחסל את Modulation הדופק-width (PWM) ripple.הסדר המסנן חייב להיות נמוך מספיק כדי לשמור על שלב הפיגור בתוך שולי יציבות - בדרך כלל 1st- או 2nd-order-orders יציג עיכוב לא מתקבל על הדעת בלולאת הבקרה כאן, עומס חישובי אינו הגבלה ראשונית; במקום זאת, הפילטר של המערכת המצופה לפעמים.

כיוונים עתידיים: פילטרים הסתגלות ולמידה של מכונות

ככל שהמכשירים המוטבעים הופכים לפילטרים אינטליגנטיים יותר, מתאימים להתאמה של התקני התווך שלהם בזמן אמת הם צוברים מצעים.פילטרים אלה, כגון מערכת ה-PSD או משפחות ריבועים פחות רציונאליים (RLS), יש עומסים חישוביים שגדלים באופן חד-משמעי עם סדר מסנן במקרה של RLS. עבור יישומים משובצים רבים, הסדר של מסנן הסתגלות הוא נמוך (4 כדי לשמור על חישובי יעיל כדי לאפשר לסינון יעיל של חומרת יעילה לסינון יעיל של רשתות ספאריבית.

מגמה נוספת היא השימוש בלמידה של מכונה כדי לבחור באופן אוטומטי הזמנות מסנן אופטימליות עבור תנאי אות, איזון ביצועים ועומס. גישה זו יכולה להפחית את מאמצי ההנדסה ולאפשר למכשירים להתאים את כוח העיבוד שלהם בהתבסס על יכולת סוללה זמינה.

מסקנה

ההשפעה של מסנן על עומס חישובי התקנים עיבוד אותות מוטבע הוא אתגר הנדסי רב פנים. בעוד הזמנות גבוהות יותר לשפר את הסלקטיביות תדירות, הם להגדיל באופן יחסי את פעולות ⁇ , שימוש בזיכרון, עצלות וצריכת חשמל.הבחירה בין FIR ו- IIR כדי להתנצלות נוספת על מערכת ניהול יעיל יותר של 1 מנגנונים החל מניתוחים בסיסיים, כמו אופטימיזציה של כוח אחד יעיל יותר, ללא יעילות גבוהה יותר, אופטימיזציה של מערכת ניהול יעיל של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות, כמו אופטימיזציה של יעילות של מערכת ניהול יעיל של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של יעילות של עיבוד אחד של מערכת ניהול יעיל של מערכת ניהול יעיל של אבטחה, כמו אופטימיזציה של מערכת ניהול יעיל של ציוד אחד.